UDK 533.5 Strokovni članek ISSN 1580-2949 MTAEC 9, 36(5)285(2002) KARAKTERISTIKE MAGNETRONSKE CELICE V PODROČJU UVV CHARACTERISTICS OF A MAGNETRON CELL IN THE ULTRA-HIGH VACUUM REGION Alenka Vesel, Miran Mozetič Inštitut za tehnologijo površin in optoelektroniko, Teslova 30, 1000 Ljubljana, Slovenija alenka.veselŽguest.arnes.si Prejem rokopisa - received: 2001-12-28; sprejem za objavo - accepted for publication: 2001-10-03 Merili smo karakteristike magnetronske celice v tlačnem območju med5-10 in 1-10 mbar. Celica je bila narejena iz ohišja iz nerjavnega jekla, v katerem je bila vgrajena titanova katodna palica debeline 6 mm. Dolžina celice je bila 35 mm, premer pa 25 mm. Ionski tok v celici smo merili sistematično pri različnih napetostih in jakostih magnetnega polja. Ugotovili smo, da tok v celici v splošnem narašča z naraščajočo napetostjo, doseže maksimum, nato pa pade z nadaljnjim naraščanjem napetosti. Pri tlaku 1-10 mbar smo dosegli maksimalni tok okoli 0,05 uA pri napetosti 4,7 kV in magnetnem polju 0,13 T. Napetost, pri kateri tok doseže maksimum, je odvisna od jakosti magnetnega polja in tlaka. Pri majhnih magnetnih poljih doseže tok maksimum pri razmeroma nizki napetosti. Podobno velja tudi za tlak. Vsekakor je bila razelektritev stabilna v širokem območju tlakov med5-10 in 1-10 mbar, napetosti med1 in 8 kV in jakosti magnetnega polja med0,1 in 0,2 T. Ključne besede: UVV, magnetronska celica, razelektritev, merilnik, ionska črpalka The characteristics of a magnetron cell in the pressure range between 5-10 and1-10 mbar were measured. The magnetron cell was made of a stainless-steel housing and a titanium cathode. The length of the cell was 35 mm and the diameter was 25 mm. A bridge electrode with a diameter of 6 mm was placed between the cathode plates. The discharge current was measured systematically at different voltages andmagnetic fields. It was foundthat in general the current at first slowly increasedwith increasing voltage, reacheda maximum at a certain voltage andthen decreasedrapidly with a further increase of voltage. At a pressure of 110 mbar, the maximum current of 0.12 uA was reachedat a voltage of 6 kV anda magnetic fieldof 0.13 T. The voltage at which the ion current reached the maximum depended on the magnetic field density and the pressure. At low magnetic fieldthe peak current was obtainedat a relatively low voltage. The same appliedfor the pressure. In any case the discharge expressedgoodstability in a wide range of pressure between 5-10"9 and1-10 mbar, voltage between 1 and8 kV and magnetic fielddensity between 0.1 and0.2 T. Key words: UHV, magnetron gauge, discharge, gauge, ion pump 1 UVOD Razelektritve v električnih in magnetnih poljih so bile v prejšnjih desetletjih predmet velikega zanimanja zaradi možnosti njenega vzdrževanja v ultravisokem vakuumu (UVV).1"6 Glavno področje uporabe tovrstne razelektritve je pri merilnikih tlaka na hladno katodo7"11 in pri ionsko naprševalnih črpalkah.1219 V osnovi so možne tri različne konfiguracije elektrod, s katerimi lahko dosežemo stabilno razelektritev v UVV: Pennin-gova celica, magnetronska in invertna magnetronska celica. Večina ionskih črpalk je sestavljena iz Penningovih celic, medtem ko je večina sodobnih merilnikov tlaka na hladno katodo zasnovanih na osnovi invertnega magnetrona. Razelektritveni tok se v posameznih celicah razlikuje, saj je odvisen od konfiguracije elektrodin njihovih dimenzij ter odnapajalne napetosti in magnetnega polja. V obeh primerih uporabe celic je želeno, da je tok čim večji. V primeru merilnikov na hladno katodo pomeni večji tok večjo občutljivost merilnika, medtem ko pri ionskih črpalkah pomeni večji tok močnejše odprševanje in s tem tudi večjo črpamo hitrost.20'21 Najbolj znane so Penningove celice, ki so se najprej začele uporabljati, zato lahko najdemo v literaturi veliko prispevkov na to temo.13,67 Tistih, ki obravnavajo značilnosti magnetronske razelektritve v UVV pa je bolj malo.11'22'2327 Se največ se je z njimi ukvarjal Redhead.11'26 V članku opisujemo rezultate meritev električnih karakteristik magnetronske celice. Pri tem smo spreminjali napetost, magnetno polje in tlak, da bi dobili bolj podroben vpogled v značilnosti magnetronske razelektritve. 2 EKSPERIMENT Z namenom, da bi preučevali električne karakteristike magnetronske celice, smo konstruirali magnetron-sko celico prikazano na sliki 1. Bila je narejena iz ohišja iz nerjavnega jekla, v katerem sta bila anodni valj in katodna palica. Anodni valj je bil narejen iz 0,5 mm debele folije nerjavnega jekla AISI 314L. Dolžina anode je bila 35 mm, premer pa 25 mm. V anodni valj smo vstavili katodno palico, ki je bila narejena iz čistega titana. Bila je valjaste oblike debeline 6 mm. Celico smo pričvrstili na vakuumski sistem, ki je bil črpan z ionsko črpalko z nazivno črpamo hitrostjo 120 l/s. Za predčrpanje smo uporabili turbomolekularno in rotacijsko črpalko. Tlak v sistemu smo merili z MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 36 (2002) 5 285 A. VESEL, M. MOZETIČ: KARAKTERISTIKE MAGNETRONSKE CELICE V PODROČJU UVV Slika 1: Shema eksperimentalne magnetronske celice Figure 1: Schematic of the experimental magnetron cell Bayard-Alpertovim merilnikom. Po pregrevanju sistema, ki je potekalo 40 h pri 150 °C, smo dosegli končni tlak 4·10-9 mbar. V residualni atmosferi je bil večinoma le vodik, kar je pokazal masni spektrometer. Tlak v sistemu smo spreminjali z dovajanjem dušika skozi precizni dozirni ventil. Magnetronska celica je bila v sredini elektromagneta, katerega pola sta bila veliko večja odcelice, tako da je bilo magnetno polje v celici homogeno. Spreminjali smo ga s tokom skozi elektromagnet. Gostoto magnetnega polja smo merili s Hallovo sondo. Razelektritveni tok v magnetronski celici smo merili sistematično pri različnih napetostih, gostotah magnetnega polja in različnih tlakih. Kot primer prikazujemo na sliki 2 tok kot funkcijo napetosti pri tlaku 5·10-8 mbar in pri različnih magnetnih poljih. Podobne karakteristike smo izmerili tudi pri drugih tlakih v območju med 5·10-9 A ¦0,10T 0,5 ¦0,11 T 0-0,12 T A-0,13 T A 0,4 o-0,14 T *-0,15T •-0,16 T Jt\ 0,3 A-0,17 T X-0,18 T pg(V 0,2 Č•acnpff*-—\Č- >s_ lL 0,1 0123456789 U ŠkV] Slika 2: Električne karakteristike celice pri tlaku 6·10-8 mbar. Parameter je gostota magnetnega polja. Figure 2: Discharge characteristics at a pressure of 6·10-8 mbar. The parameter is the density of the magnetic field. -96,0*10-9 mbar 0,35 A7,0*10-9 mbar -1-8,5*10-9 mbar -m-1,0*10-8 mbar -«-2,1*10-8 mbar -A-3,0*10-8 mbar 0,25 -0-4,0*10-8 mbar -»-5,0*10-8 mbar 0,2 /•-/iJhoSk -•-6,0*10-8 mbar -0-7,2*10-8 mbar 0,15 sJM&Čšk ------7,9*10-8 mbar -¦-9,0*10-8 mbar 0,1 y5